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用于軟起動器的晶閘管模塊SEMiSTART

發(fā)布時間:2008-10-22 來源:變頻技術(shù)應(yīng)用

中心論題:

  • 電機(jī)起動控制的三種方式
  • 軟起動器對晶閘管的要求
  • 晶閘管模塊中使用的裝配和連接技術(shù)
  • SEMiSTAT模塊的技術(shù)指標(biāo)

解決方案:

  • SEMiSTART模塊中兩個晶閘管芯片反并聯(lián)連接
  • EMiSTART模塊中兩個晶閘管芯片被壓在兩個散熱器之間

現(xiàn)在,軟起動器已廣泛用于電動機(jī)的起動。而在軟起動裝置中,半導(dǎo)體必須極其堅(jiān)固以應(yīng)對較大的芯片溫度變化,同時必須表現(xiàn)出非常好的負(fù)載循環(huán)能力。如果這些要求都滿足,那么軟起動裝置就會有很長的使用壽命。

SEMiSTART 是一款專為軟起動裝置設(shè)計(jì)的反并聯(lián)晶閘管模塊。得益于其所采用的雙面晶閘管芯片冷卻技術(shù),SEMiSTART 的內(nèi)部熱阻只有模塊化設(shè)計(jì)中傳統(tǒng)器件的一半。此外,該緊湊型模塊還使用了被證明有效的壓接技術(shù)??偠灾琒EMiSTART 模塊為解決感應(yīng)電機(jī)起動時所產(chǎn)生的大起動電流問題,提供了一個最佳的且可靠性高的解決方案.

在驅(qū)動工程領(lǐng)域,所采用的驅(qū)動電機(jī)主要是三相感應(yīng)電機(jī)。這類電機(jī)通常具有如下的優(yōu)點(diǎn):堅(jiān)固的設(shè)計(jì);維護(hù)費(fèi)用低;性價(jià)比高。

電機(jī)起動控制的三種方式
在實(shí)際中,有三種不同的電機(jī)起動控制方式。

a.直接在線起動
對于三相感應(yīng)電機(jī)(異步電機(jī)),直接在線起動產(chǎn)生非常高的電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩和起動電流。高起動轉(zhuǎn)矩會導(dǎo)致機(jī)械損壞,比如由三相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動的傳送帶可能會被撕裂,大起動電流能夠?qū)е码娋W(wǎng)中產(chǎn)生尖峰電壓。驅(qū)動電機(jī)越大,所產(chǎn)生的影響越嚴(yán)重。
為了應(yīng)對這些不良的影響,起動階段施加到感應(yīng)電機(jī)上的電壓要被控,這意味著起動電流和相應(yīng)的起動轉(zhuǎn)矩會受到限制。不同的起動方式對電機(jī)起動電流的影響如圖1所示。

b.Y-Δ起動器
一個簡單的解決方案是星形—三角形起動器(也稱為Y-Δ起動器)。這種方案中,電機(jī)的定子繞組在起動加速階段按照Y型連接,一旦電機(jī)接近額定轉(zhuǎn)速,繞組變?yōu)?Delta;型連接。以Y型連接方式起動的效果在于,電機(jī)在達(dá)到正常轉(zhuǎn)速之前,其每個定子繞組上的電壓只有正常時的1/姨3 。通常使用機(jī)械接觸器完成繞組從Y型到Δ 型連接的轉(zhuǎn)換。然而,由于只有2 個轉(zhuǎn)換連接(Y 和Δ),因此把“控制”這個術(shù)語用在這里并不是特別合適。

此外,這種類型的起動器“控制”維護(hù)費(fèi)用并不低,因?yàn)榇嬖陔娀。瑢?dǎo)致機(jī)械接觸器容易磨損而需要被更換。

c.軟起動器
為了控制起動階段施加在感應(yīng)電機(jī)上的電壓,需要一個軟起動裝置(軟起動器)。在軟起動器中,半導(dǎo)體(晶閘管)被用于電壓的控制。其工作原理如圖2所示。

兩個反并聯(lián)晶閘管以串聯(lián)的方式連接在電機(jī)繞組和電網(wǎng)之間。在加速到正常轉(zhuǎn)速的過程中,通過相控的方式使得電機(jī)繞組電壓受控。根據(jù)晶閘管什么時候被觸發(fā)(觸發(fā)延遲角α),電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩和起動電流可被設(shè)置在期望值上。采用軟起動控制的另一個好處在于起動時間也可以被控制。
 


流經(jīng)晶閘管的電流在晶閘管內(nèi)部產(chǎn)生功耗。該功耗會使晶閘管的溫度升高,因此必須對其進(jìn)行冷卻。為了避免起動加速過程結(jié)束后晶閘管依舊消耗功率,采用一個機(jī)械旁路開關(guān)(機(jī)械接觸器)將晶閘管旁路。由于不用切換大負(fù)載,所以旁路開關(guān)可以相對較小,且不會被燒毀。由于系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了正常轉(zhuǎn)速,因此沒有大的壓降產(chǎn)生,這些壓降通常由旁路開關(guān)的接觸器來切換。唯一的壓降來源于機(jī)械設(shè)計(jì)和已觸發(fā)的晶閘管上的壓降,這意味著不需要切換大負(fù)載,這就是為什么軟起動器的維護(hù)費(fèi)用低。

軟起動器對晶閘管的要求
為確保軟起動器既結(jié)構(gòu)緊湊,性價(jià)比高又不降低可靠性,軟起動器中所使用的晶閘管必須滿足一些重要的要求,即使軟起動器用在起動電流只幾倍于(3~5倍高)額定電流的系統(tǒng)中。在大規(guī)模系統(tǒng)中,起動電流的峰值常達(dá)幾kA,因此,在起動階段,晶閘管必須能夠承受這么高的起動電流。然而,與此同時,軟起動器必須優(yōu)化成本且結(jié)構(gòu)盡可能的緊湊,所以,所使用的晶閘管(包括散熱器)的體積必須盡可能的小。
出于成本的考慮,實(shí)際使用的晶閘管的額定電流遠(yuǎn)小于大系統(tǒng)的起動電流。這就是為什么晶閘管芯片會在起動階段,這樣一個短時間內(nèi),會大幅升溫,如從TStart=40℃到TRamp-up=130℃,導(dǎo)致芯片產(chǎn)生90℃的溫差。如果一個系統(tǒng)每小時切換3 次,一年365天,每天8小時,那么10 年后總的負(fù)載變化次數(shù)將達(dá)到87 600次。

這些晶閘管必須能夠反復(fù)承受起動階段的過載電流十年。

基于以上要求,直到現(xiàn)在,軟起動器的制造商很難在市場上為他們的裝置找到最佳的半導(dǎo)體器件。

而這正是SEMIKRON 的反并聯(lián)晶閘管模塊SEMiSTART所涉足的領(lǐng)域,因?yàn)檫@款模塊是專為用于軟起動器而開發(fā)的。

晶閘管模塊中使用的裝配和連接技術(shù)
將一個硅片裝配和連接到一個器件上有不同的方法。在許多模塊中,硅片被焊在兩側(cè)(陽極和陰極側(cè)),并且是單面冷卻。常用的焊接模塊的原理如圖3所示。


模塊中產(chǎn)生的熱量通過底板(單面冷卻)擴(kuò)散到散熱器中。這里有一個特殊的問題,那就是晶閘管模塊中使用的各個器件的熱膨脹系數(shù)不同。在采用焊接方式連接的模塊中,硅(可控硅芯片),焊料和銅(主端子)擁有不同的膨脹系數(shù),一段時間后,由于負(fù)載循環(huán)操作,不同的系數(shù)導(dǎo)致連接芯片和銅端子的焊料產(chǎn)生疲勞。結(jié)果,焊層出現(xiàn)分層,即焊層出現(xiàn)細(xì)小的裂紋。焊層疲勞開裂導(dǎo)致熱阻的增加,這反過來導(dǎo)致芯片溫度的升高并最終使芯片損壞。事實(shí)上,在焊接模塊中,芯片損壞并不少見。

相比之下,基于壓接技術(shù)的模塊中的芯片是通過接觸壓力連接在主端子之間的。這些模塊中,芯片不是焊在兩個主端子之間,相反,施加了非常高的接觸壓力(幾kN)以使芯片“留”在主端子之間。實(shí)踐已經(jīng)證明,即使在大功率負(fù)載(額定電流>200 A)應(yīng)用中,采用壓接技術(shù)的器件的負(fù)載循環(huán)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用焊接的器件。

這就是為什么SEMIKRON 建議在大額定電流軟起動裝置中使用壓接器件的原因,而SEMiSTART中所使用的正是這種壓接技術(shù)。

SEMIKRON的SEMiSTART 模塊系列壓接技術(shù)原理如圖4所示。

SEMiSTART模塊中,用于芯片的連接技術(shù)基于壓接技術(shù),兩個晶閘管芯片反并聯(lián)連接并被壓在兩個散熱器之間。

這種類型的裝配和連接不包含焊層,這就是為什么SEMiSTART模塊擁有非常好的負(fù)載周期能力,因此使用壽命更長。

SEMiSTART模塊的散熱器根據(jù)芯片尺寸和為用于軟起動裝置而進(jìn)行了尺寸優(yōu)化,因而模塊的結(jié)構(gòu)非常緊湊。晶閘管芯片和散熱器之間的總熱阻遠(yuǎn)小于其他常規(guī)器件的總熱阻。由于芯片被直接壓在兩個散熱器之間,并且雙面冷卻,因此熱阻的確非常小。由于這個原因,與同類電流密度的模塊相比,其總體尺寸才有可能更小。

SEMiSTART 模塊的另一個優(yōu)點(diǎn)在于它安裝便利,不需要安裝諸如平板可控硅所需的特殊夾具,也不需要模塊裝配中所需的導(dǎo)熱硅脂。

當(dāng)然,SEMiSTART模塊也可用于其他用途,如保護(hù)電路。

SEMiSTAT模塊的技術(shù)指標(biāo)
SEMiSTART模塊有三種不同的尺寸和總共五種不同的電流等級。

電流范圍在500~3000A,能夠承受最大電流長達(dá)20s(加速時間),晶閘管的最大關(guān)斷電壓為1800V。具體參數(shù)如表1所列。


SEMiSTART模塊相對于傳統(tǒng)方案有如下優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省空間;由于熱阻小,半導(dǎo)體芯片和散熱器之間擁有更佳的熱阻;采用壓接技術(shù)(無焊層),從而可靠性非常高;不需要選散熱器;安裝簡便,不需要特殊的夾具。

由于這些器件相對于傳統(tǒng)方案的優(yōu)勢越來越明顯,因此在未來幾年,此系列模塊用于軟起動器的市場將繼續(xù)增長。

 

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